水電廠無線傳感器網絡應用技術探討

李小龍，張志華

（天津水利電力機電研究所，天津301900）

1 引言

無線傳感器是物聯網時代催生的嶄新的應用，它將傳統傳感器采集的信息通過無線方式發送到控制端，增強系統的靈活性和應用范圍；比起有線網絡，無線傳感器網絡的安裝更迅速，具備極高的擴充彈性與鏈接可靠性，同時無線供電技術避免了用電設備之間通過導線連接獲取能量過程中不安全因素。將無線傳感器網絡應用到水電廠設備監測中是未來水電廠自動化監控系統和設備狀態監測、故障診斷的發展趨勢。

2 無線傳感器網絡應用技術

2.1 系統組成

無線傳感器網絡通常由傳感器節點、匯聚節點和管理節點組成。在需要監測的設備節點上部署大量的傳感器節點，通過自組織方式構成網絡結構。每一個傳感器節點所采集的數據都可以經過其他節點進行數據傳輸，在數據傳輸過程中，數據經過多次傳輸后送至匯聚節點，最終通過互聯網等方式送至管理節點。用戶可以通過管理節點對無線傳感器網絡進行配置管理，監測設備狀態。

2.2 通信協議

目前有多種主流無線通信協議可選擇（見表1），這些通信協議都有各自的特點。

表1

通過比較可以發現，ZigBee通信協議是功耗低、傳輸速率低、傳輸距離遠，低成本的雙向無線通信技術，最適合水電廠無線傳感器的網絡應用。基于IEEE802.15.4標準無線協議開發的ZigBee智能傳感器網絡系統是一種全新的數據處理與傳輸技術，在現實生活中得到了廣泛的應用。

2.3 系統結構

基于Zigbee通信協議開發的無線傳感器網絡具有自組織、自恢復及通信可靠的能力，支持三種主要的自組網無線網絡類型，即星形結構、樹形結構和網狀結構。

2.3.1 星形結構

星形結構是自組織無線網絡拓撲形式中最簡單的一種，包含一個協調者節點和多個終端節點。終端節點可以與協調者節點進行通信，但是兩個終端節點不能直接通信，如果兩個終端節點之間需要通信的話，必須通過協調者節點進行信息的轉發，才能實現兩個終端節點的通信。星形結構的缺點是由于節點之間不能直接通信，數據只有唯一的傳輸路徑，協調者節點是整個網絡的瓶頸。

2.3.2 樹形結構

樹形結構包含一個協調者節點和多個路由器節點及終端節點。協調者節點連接多個路由節點和終端節點，而它的子節點的路由節點也可以連接多個路由節點和終端節點，可以拓展多個層級。但是需要設計者注意的是，協調者節點和路由節點可以包含自己的子節點，而終端節點不能有自己的子節點。

2.3.3 網狀結構（MESH結構）

網狀結構與樹形結構相似，包含一個協調者節點和多個路由節點及終端節點，但不同點在于網狀結構的路由節點之間可以直接的通信，具有更加靈活的信息路由規則，相比于樹型結構具有更加明顯的優勢。這種路由規則使通信變得更有效率，如果一個路由路徑出現了問題，信息可以自動的沿著其他的路由路徑進行傳輸。

網狀結構具有更加強大的功能，該結構可以組成更加復雜的網絡，數據可以通過“多級跳”的方式來通信，網絡系統更加可靠，并且能夠實現動態路由。

3 無線傳感器供電技術

無線傳感器網絡由大量傳感器節點構成，節點工作環境通常比較惡劣，為保證無線傳感器網絡正常工作，供電技術是關鍵所在。

無線供電，是一種方便安全的新技術，通過非接觸的方式對用電設備進行電能傳輸，不需要物理連接，電能就可以傳輸給負載。與傳統的有線傳輸電能方式相比，無線供電避免了用電設備之間通過導線連接產生電火花、導線破損等不安全因素。目前常用的無線供電技術主要有以下三種。

3.1 電波輻射式無線供電技術

電波輻射式無線供電主要是將電能轉換成電磁波或激光的形式，由天線發射，電磁波可以在空間自由傳播，再經過接收天線，將電磁波轉換為電能供給負載使用。此技術主要是通過電磁波的形式進行傳輸，能實現長距離、大范圍的電能傳輸，但電磁波方向性不強，且穿過障礙物能力較弱，所以能量會有衰減，長距離傳輸效率低下，并且會對周圍造成電磁輻射污染。

3.2 感應耦合式無線供電技術

感應耦合式無線供電技術是以可分離變壓器或松耦合變壓器為磁路結構進行電能無線傳輸。將市電經過AC/DC整流轉變成直流電，直流電經過高頻逆變電路轉變成特定頻率的交流電，特定頻率的交流電通過發射線圈產生感應磁場，而接收線圈會在感應磁場中產生感應電動勢，從而實現了電能的無線傳輸。應用電磁感應的原理，傳輸功率可以達到kW，但傳輸距離比較短，僅為毫米級，并且由于系統是松耦合或可分離耦合，氣隙會比較大，使得漏磁和激磁較大。

3.3 磁耦合諧振式無線供電技術

磁耦合諧振式無線供電技術利用兩個具有相同頻率的諧振電路，通過磁場耦合，實現電能從供電設備向用電設備的無線傳輸。磁耦合諧振式無線供電引入了諧振（共振）技術，使發射線圈和接收線圈在相同頻率下工作，不僅可以提高能量的傳輸效率，而且可以增加能量傳輸距離。利用近磁場諧振耦合，其輻射小，方向性要求也不高，適合中等距離的傳輸，傳輸效率較高并且能量傳輸不受空間和非磁性障礙物的影響。

磁耦合諧振式無線供電技術與上述兩種無線供電技術相比，具有以下特點：

（1）與電磁波原理的無線供電技術相比，具有傳輸功率大、傳輸效率高和無方向性的特點，且傳輸功率從以前的毫瓦級提高到千瓦級，傳輸效率也得到大大的提升，可達到80%；

（2）與電磁感應原理的無線供電技術相比，具有傳輸距離大，突破了電磁感應原理的無線供電距離僅在毫米級的限制。

通過三種無線供電原理的比較得出，磁耦合諧振式無線供電比較適用于無線傳感器供電的方式。由此原理制作的無線供電裝置可應用于無線傳感器的電能供應，真正實現無線傳感器的無線供電功能。

4 水電廠無線傳感器網絡應用解決方案

水電廠在生產過程中為保證設備工作在正常狀態或最佳狀態，應用到大量傳感器監測設備運行數據。水電廠傳感器主要分類及應用如表2所示。

表2 水電廠傳感器主要分類及應用

4.1 水電廠無線傳感器網絡結構

水電廠無線傳感器網絡由傳感器節點、傳輸協議、無線網關、工作站等組成。隨著嵌入式技術、通信技術、傳感器技術的發展，基于Zigbee無線通信技術強大的組網能力，應用網狀結構（圖1），將無線傳感器布置在相應的節點采集前端數據,通過無線網關將傳感器采集的數據轉發到終端監控主機,監控主機對數據進行顯示、存儲和分析；監控中心也可以將控制、參數設置等信息通過網關無線傳輸給節點，以此實現對水電廠自動化生產實現在線監測。系統可以靈活的增減不同的傳感器節點，進行相關物理信號測量，檢測或監測。

水電廠無線傳感器網絡結構如圖1所示。

4.2 功能特點

無線傳感器網絡具有如下特點：

（1）無線測量：對每個測量點進行無線監測，自動檢測全部傳感器的測定值；

（2）安裝方便：不需傳輸線纜，安裝使用方便，靈活布放節點；

（3）網絡覆蓋范圍廣：沖破了時間和空間的限制，采用無線接收網關，將采集到的數據傳到計算機內，傳輸可靠性高，組網迅速，結構簡單，功能強大；

（4）無線供電：避免了用電設備之間通過導線連接獲取能量過程中產生電火花、導線破損等不安全因素。

圖1 水電廠無線傳感器網絡結構

5 結論

伴隨著科技的進步，無線傳感器網絡已逐步被實際應用于工業自動化控制當中。然而，在國內水電行業，傳感器網絡的使用還停留傳統的有線傳感器階段，即傳感器一對一配線，然后集中到中央監控設備階段，給水電廠的布線、運行和檢修帶來極大的麻煩，亟待引入一種新型的、無線布線的傳感器網絡。本文從無線傳感器網絡構成、傳輸協議、組網方式、無線供電等方面，對無線傳感器網絡應用技術進行了探討，提出了水電廠無線傳感器網絡應用解決方案，為水電廠無線傳感器網絡的應用提供了技術支撐。